Simulazione fluidodinamica 1D di un motore a ciclo otto turbo-sovralimentato con e-Booster

Today’s automotive industry has to face the challenge of reaching conflicting goals like improving vehicle fuel economy, increasing engine performances and at the same time respecting stringent emission standards. One well-known technology to achieve the above-mentioned goals is downsizing the engine by using turbocharging, that allows to reduce the engine displacement while maintaining the same performances. However, turbochargers’ main disadvantage consists in a delay in the response to transients and at low rotational speed. This phenomenon, known as turbo-lag, consequently leads to a deterioration in the vehicle drivability and to an increase in pollutants emissions. The electrification of the boosting system is a very interesting solution to this problem: the e-Booster allows reaching the desired pressure into the cylinders in a shorter time period, improving the response of the engine in particular during rapid transients. The purpose of this work is the validation of a one-dimensional model of a four-cylinder spark-ignition turbocharged engine with an electric boosting system, through Gasdyn-based modelling. Simulations of its operation at constant rotational speed and varying load are performed in order to evaluate the reaction time of the engine compared to a classic turbocharging and to carry out an analysis of power consumption: the results show a decrease in turbo-lag together with improved performances.

Oggi l'industria automobilistica si trova ad affrontare sfide contrastanti che hanno come obiettivi il risparmio di carburante dei veicoli, l’incremento delle prestazioni del motore e allo stesso tempo il rispetto delle norme rigorose in materia di emissioni. Un metodo largamente utilizzato per raggiungere tali traguardi è il downsizing del motore, effettuato tramite la sovralimentazione, che permette di ridurre le dimensioni del motore a parità di prestazioni. I turbocompressori, tuttavia, presentano lo svantaggio di un ritardo nella risposta ai bassi regimi e durante i transitori, fenomeno conosciuto come turbo-lag, che di conseguenza porta ad un peggioramento del comfort di guida. L’ elettrificazione del sistema di boosting rappresenta una soluzione molto interessante e promettente a questo problema: infatti l’e-Booster consente di raggiungere la pressione desiderata all’ingresso dei cilindri in tempi inferiori, migliorando così la risposta del motore soprattutto durante rapidi transitori. In questo lavoro di tesi è stata svolta la validazione di un modello monodimensionale, realizzato attraverso il software Gasdyn, di un motore a combustione interna 4 cilindri turbo-sovralimentato con e-Booster. Sono state effettuate delle simulazioni del suo funzionamento a velocità di rotazione costante e a carichi variabili con lo scopo di valutare il tempo di reazione del motore rispetto alla sola turbo-sovralimentazione: si è assistito ad una riduzione del turbo-lag e quindi ad un incremento delle prestazioni del motore.